DE69630520T2

DE69630520T2 - Bestimmung der dielektrischen eigenschaften von holz

Info

Publication number: DE69630520T2
Application number: DE69630520T
Authority: DE
Inventors: Rudolph Liebrecht VENTER; Petrus Jacobus VILJOEN
Original assignee: VILJOEN JACOBUS PETRUS S
Current assignee: VILJOEN JACOBUS PETRUS S
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2016-03-15
Also published as: AU4955196A; NZ303628A; EP0815458B1; FI973667A; EP0815458A4; DE69630520D1; ATE253227T1; CA2215191A1; WO1996028741A1; FI973667A0; EP0815458A1; AU707663B2; CA2215191C; BR9607359A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften von Holz, insbesondere zu Zwecken der Ableitung einer Messung des Feuchtigkeitsgehalts des Holzes von diesen, und Mittel zur Verwendung in einem solchen Verfahren.
Der Feuchtigkeitsgehalt von Holz kann als die Differenz zwischen dem Nassgewicht und dem Trockengewicht von Holz geteilt durch das Trockengewicht ausgedrückt werden.
Beim Trocknern von Holz in einem Holztrockenofen ist normalerweise ein Endpunkt-Feuchtigkeitsgehalt von 5% bis 20% erforderlich. Während traditionelle Verfahren zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts von Holz angemessen genau bezüglich des Endpunkt-Feuchtigkeitsgehalts sind, werden diese weniger genau bei höheren Werten des Feuchtigkeitsgehalts. Bei Feuchtigkeitsgehalten von über 30% werden die traditionellen Verfahren völlig unzuverlässig.
Für die richtige Steuerung der Umgebung, in der Holz getrocknet wird, zum Beispiel in einem Holztrockenofen, ist es wichtig, dass der Feuchtigkeitsgehalt des Holzes genau bekannt ist, während der Feuchtigkeitsgehalt noch relativ hoch ist, z. B. über 30%. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt genau bei diesen relativ hohen Werten bekannt ist, wird es möglich, den Trocknungsprozess beträchtlich zu beschleunigen, ohne unnötige Spannungen in dem Holz zu verursachen.
Ein Verfahren zum Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften von Holz ist aus US-A-4 174 498 bekannt. Genau ausgedrückt, werden Holzchips zwischen Elektroden angeordnet und ein elektrisches Signal wird an diese angelegt. Eine Ausgabe einer Messschaltung liefert ein Signal, das die elektrische Impedanz der Holzchips zwischen den Elektroden darstellt.
Ein Holztrockenofen kombiniert mit Mitteln zum Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften desselben ist aus US-A- 4 107 599 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 offenbart.
Das variierende elektrische Signal kann zweckdienlich eine Sinusspannung sein und kann an die Elektroden über ein Widerstandselement angelegt werden, und der Phasenwinkel zwischen der angelegten Spannung (d. h. der Spannung vor dem Widerstandselement) und der Spannung über den Elektroden (d. h. der Spannung hinter dem Widerstandselement), und die Größen der Spannungen werden bestimmt. Hiervon ist es möglich, den Phasenwinkel und die Größe der komplexen Impedanz zwischen den Elektroden abzuleiten.
Es wird verstanden werden, dass eine der Elektroden Erde sein kann, d. h. die Struktur, auf der das Holz gehalten wird, wobei die Struktur aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Die gemesseren Werte können in einem Elektronikmodul bestimmt werden, das sich in dichter Nähe zu den Elektroden befindet, und. der Phasenwinkel und die Größe der komplexen Impedanz können von den gemessenen Werten in einem Datenverarbeitungsmittel bestimmt werden, das von den Elektroden entfernt ist, wobei ein Datenübermittilungsabschnitt zwischen dem Elektronikmodul und dem Datenverarbeitungsmittel vorhanden ist.
Ferner wird gemäß der Erfindung ein Mittel zum Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften von Holz gemäß Anspruch 4 geschaffen.
Darüber hinaus wird gemäß der Erfindung eine Holztrocknungsanlage, die einen Holztrocknungsofen aufweist, gemäß Anspruch 5 geschaffen.
Die Erfindung soll nun detaillierter zum Aufführen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben werden.
Die Zeichnungen:
1 ist eine Endansicht eines Holzstapels in einem Holztrockenofen, der mit Messmitteln gemäß der Erfindung versehen ist;
2 ist ein Blockdiagramm der Messmittel;
3 zeigt bestimmte Spannungswellenformen; und
4 ist ein Zeigerbild der Spannungen.
Nun ausführlicher auf die Zeichnungen bezugnehmend, zeigt die Bezugsziffer 10 einen Holztrocknungsofen, in dem sich ein Stapel Holz 12 befindet. Das Holz 12 ist in Schichten angeordnet, die voneinander mittels Abstandsstücken beabstandet sind. Die Umgebung innerhalb des Ofens wird gemäß dem Feuchtigkeitsgehalt des Holzes gesteuert.
Zum genauen Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts des Holzes, ist der Ofen mit Messmitteln versehen, die ein Elektronikmodul 14 außerhalb, jedoch in dichter Nähe zu dem Ofen, ein Paar von Elektroden 16 innerhalb des Ofens, die an das Modul 14 mittels elektrischer Verbindungen gekoppelt sind, und einen entfernten Datenprozessor 20 umfassen, der mit dem Elektronikmodul 14 mittels eines Datenübermittlungsabschnitts 22 verbunden ist. Wenn eine Anzahl von Öfen 10 vorhanden ist, jeder mit seinem eigenen Elektronikmodul 14, können die verschiedenen Elektronikmodule alle an den selben Datenprozessor 20 angeschlossen sein.
Die Elektroden 16 sind in Form von Metallplatten vorhanden und werden einfach in die Räume zwischen Schichten in dem Stapel 12 eingesetzt. Es ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, dass die Elektroden 16 nicht vor der Einführung in den Stapel gereinigt werden müssen, da der Betrieb des Geräts nicht durch das Ausmaß von physikalischem Kontakt mit dem Holz beeinflusst wird. Die Größe und genaue Position der Elektroden ist auch nicht wichtig. Wenn die Größe und/oder Position der Elektroden geändert wird, wird alles, was erforderlich ist, lediglich eine Neukalibrierung des Systems sein.
Das Elektronikmodul 14 dient zum Messen der Werte, die zum Bestimmen des Phasenwinkels und der Größe der komplexen Impedanz zwischen den Elektroden 16 benötigt werden. Dies wird in der folgenden Weise erreicht. Das Elektronikmodul 14 umfasst ein Widerstandselement 24, das in Reihe mit einer der Elektroden verbunden ist, und einen Oszillator 26 und zugehörigen Treiber 28, wodurch eine Sinusspannung an die Elektroden über das Widerstandselement angelegt werden kann. Der Oszillator 26 hat eine Frequenz, die im Ultraschallbereich liegt, zum Beispiel in der Größenordnung von 40 kHz. Die bei 30 angezeigte Impedanz stellt die Impedanz zwischen den Elektroden 16 dar.
Das Elektronikmodul 14 umfasst ferner einen superschnellen Komparator 32, der über einen Präzisionspuffer 34 an den Ausgang des Treibers 28, und über einen Präzisionspuffer 36 an eine der Elektroden angeschlossen ist, wobei die andere Elektrode an Erde angeschlossen ist.
Die Wellenform der angelegten Spannung (d. h. die Ausgabe des Treibers 28) wird bei 38 in 3 angezeigt, während die Wellenform der Spannung über der Elektrode 16 (d. h. nach dem Widerstandselement 24) durch die Bezugsziffer 40 in 3 angezeigt ist. In 4 ist die angelegte Spannung 38 durch den Zeiger V₁ und die Spannung über den Elektroden durch den Zeiger V₂ angezeigt. Da die Impedanz 30 eine komplexe Impedanz ist, liegt eine Phasendifferenz zwischen den Spannungen V₁ und V₂ vor, wobei diese durch den Winkel ω in 4 angezeigt ist. V_r in 4 ist die Spannung über dem Widerstandselement 24.
Der Komparator 32 dient zum Konvertieren der Sinusspannungen 38 und 40 in Rechteckwellenspannungen 42 bzw. 44.
Das Elektronikmodul 14 weist ferner einer exklusive ODER-Verknüpfungs- (XOR) Schaltung 46 auf, deren Ausgabe bei 48 in 3 angezeigt ist. Der Effektivwert der Ausgabe 48 variiert in Proportion zu der Phasendifferenz zwischen den Spannungen 38 und 40. Die Ausgaben der Puffer 34 und 36 und die Ausgabe der XOR-Schaltung 46 werden über einen Multiplexer 50 einem Effektivwert-Gleichspannungs-Wandler 52 zugeführt. Der Multiplexer 50 hat eine relativ langsame Abtastfrequenz verglichen mit der Frequenz des angelegten Signals.
Die Ausgabe 54 des Effektivwert-Gleichspannungs-Wandlers 52 wird zu dem Datenprozessor 20 über den Datenübermittlungsabschnitt 22 weitergeleitet.
Der Phasenwinkel der Impedanz 30 wird durch Verwendung der folgenden Gleichungen bestimmt: a = V2*cosω b = V2*sinω d = V1/{– a*a/b – b} c = a*d/b Cx = d/{R*2πf} Rx = R/(c – 1)wobei:
V₁ die Amplitude der angelegten Spannung ist;
V₂ die Amplitude der Spannung über den Elektroden ist;
ω die Phasendifferenz zwischen den Spannungen V₁ und V₂ ist;
R das Reihenwiderstandselement 24 ist;
f die Frequenz der angelegten Spannung ist;
C_x der Wert der Kapazitätskomponente der komplexen Impedanz 30 ist; und
R_x die Widerstandskomponente der komplexen Impedanz 30 ist,
unter der Annahme, dass die Kapazitäts- und eine Widerstandskomponente der Impedanz parallel sind.
In dem Fall, dass die komplexe Impedanz eine induktive Komponente (L_x) parallel mit der Kapazitätskomponente C_x einschließt, kann der Wert von L_x unabhängig von C_x durch Messen der komplexen Impedanz bei zwei unterschiedlichen Frequenzen bestimmt werden.
Der Feuchtigkeitsgehalt des Holzes wird durch geeignete Datenverarbeitung in dem Datenprozessor 20 abgeleitet.

Claims

Anspruch 1 Verfahren zum Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften von Holz, d. h. seiner komplexen Impedanz, die aus dem wahren oder reinen Widerstand Rx und der wahren oder reinen Kapazität C_x des Holzes als komplexes Dielektrikum besteht, welches umfasst, das Holz (12) zwischen Elektroden (16) anzuordnen, ein variierendes Signal spezieller Spannung an die Elektroden über ein Widerstandselement (24) anzulegen, das in Reihe mit einer der Elektroden (16) verbunden ist, sowohl die Amplitude der angelegten Spannung als auch die Amplitude der Spannung über den Elektroden zu messen, und durch die gemessene Amplitude der angelegten Spannung, die Amplitude der Spannung über den Elektroden und den Winkel, der die Phasendifferenz zwischen diesen Signalen darstellt, die dielektrischen Eigenschaften R_x und C_x des zwischen den Elektroden angeordneten Holzes durch Verwendung der folgenden Gleichungen unter der Annahme zu bestimmen, dass die Kapazitäts- und Widerstandskomponenten der komplexen Impedanz (30) parallel sind: a = V2cosω (1) b = V2Sinω (2)

wobei: V₁ die Amplitude der anlegten Spannung ist; V₂ die Amplitude der Spannung über den Elektroden ist; ω die Phasendifferenz zwischen den Spannungen V₁ und V₂ ist; R das Reihenwiderstandselement (24) ist; f die Frequenz der angelegten Spannung ist; C_x der Wert der Kapazitätskomponente der komplexen Impedanz (30) ist; und R_x die Widerstandskomponente der komplexen Impedanz (30) ist.
Anspruch 2 Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die variierende Spannung eine Sinusspannung (38) ist, die an die Elektroden (16) über das Widerstandselement (24) angelegt wird.
Anspruch 3 Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die gemessenen Amplituden von V₁ und V₂ und die Phasendifferenz zwischen V₁ und V₂ in einem Elektronikmodul (14) bestimmt werden, das sich in dichter Nähe zu den Elektroden befindet, und bei dem der Phasenwinkel und die Amplitude der komplexen Impedanz von den gemessenen Werten in einem Datenverarbeitungsmittel (20) bestimmt werden, das von den Elektroden entfernt ist; wobei ein Datenübermittlungsabschnitt (22) zwischen dem Elektronikmodul und dem Datenverarbeitungsmittel vorhanden ist.
Anspruch 4 Messeinrichtung zum Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften von Holz, d. h. seiner komplexen Impedanz, die aus dem Widerstand R_x und der Kapazität Cx besteht, welche ein Paar von Elektroden (16), zwischen denen das Holz (12) angeordnet werden kann, ein Widerstandselement (24), das in Reihe mit einer der Elektroden verbunden ist, und Mittel (14, 20) umfasst, die zum Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften R_x und C_x des zwischen den Elektroden angeordneten Holzes durch Verwendung der folgenden Gleichungen ausgelegt sind, wobei angenommen wird, dass die Kapazitäts- und Widerstandskomponenten des Holzes als komplexe Impedanz parallel sind: a = V2cosω (7) b = V2sinω (8)

wobei: V₁ die Amplitude eines variierenden Signals einer spezifizierten Spannung ist, die an die Elektroden über das Widerstandselement (24) anzulegen ist; V₂ die Amplitude der Spannung über den Elektroden ist; ω die Phasendifferenz zwischen den Spannungen V₁ und V₂ ist, R das Reihenwiderstandselement (24) ist; f die Frequenz der angelegten Spannung ist; C_x der Wert der Kapazitätskomponente der komplexen Impedanz (30) ist; und R_x die Widerstandskomponente der komplexen Impedanz (30) ist.
Anspruch 5 Holztrocknungsanlage, die einen Holztrockenofen (10) und Mittel umfasst, die zum Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften von Holz (12) eingerichtet sind, welches in dem Ofen getrocknet wird, wobei die Mittel ein Paar Elektroden (16), zwischen denen das Holz in dem Ofen angeordnet werden kann, Mittel zum Anlegen eines variierenden Signals einer spezifischen Spannung an die Elektroden (16) über ein Widerstandselement (24), das in Reihe mit einer der Elektroden (16) verbunden ist, und Mittel (14, 20) umfasst, die zum Bestimmen der Amplitude der angelegten Spannung und der Amplitude der Spannung über den Elektrode und des Winkels eingerichtet sind, der die Phasendifferenz zwischen diesen die Spannungen erzeugenden Signalen darstellt, wobei die Mittel zum Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften die folgenden Gleichungen zum Erhalten der dielektrischen Eigenschaften von Holz unter der Annahme verwenden, dass die Kapazitäts- und Widerstandskomponenten des Holzes als komplexe Impedanz parallel sind: a = V2cosω (13) b = V2sinω (14)
wobei: V₁ die Amplitude der anlegten Spannung ist; V₂ die Amplitude der Spannung über den Elektroden ist; ω die Phasendifferenz zwischen den Spannungen V₁ und V₂ ist, R das Reihenwiderstandselement (24) ist; f die Frequenz der angelegten Spannung ist; C_x der Wert der Kapazitätskomponente der komplexen Impedanz (30) ist; und R_x die Widerstandskomponente der komplexen Impedanz (30) ist.
Anspruch 6 Holztrocknungsanlage nach Anspruch 5, bei der das Mittel zum Anlegen eines variierenden Signals ausgelegt ist, um eine Sinusspannung (38) an die Elektroden über das Widerstandselement anzulegen, und die ferner Mittel (34 ... 46) umfasst, die zum Bestimmen des Phasenwinkels zwischen der angelegen Spannung V₁ und der Spannung V₂ über den Elektroden und der Amplituden dieser Spannungen ausgelegt sind.
Anspruch 7 Holztrocknungsanlage nach Anspruch 6, bei der das Widerstandselement (24) und die Mittel (34 ... 46), die zum Bestimmen des Phasenwinkels zwischen der angelegten Spannung V₁ und der Spannung V₂ über den Elektroden und der Amplituden dieser Spannungen ausgelegt sind, einen Teil eines Elektronikmoduls (14) bilden, das sich in dichter Nähe zu den Elektroden befindet und das ferner ein Datenverarbeitungsmittel (20) umfasst, das von den Elektroden entfernt und ausgelegt ist, um von den gemessenen Werten die dielektrischen Eigenschaften Rx und C_x der komplexen Impedanz des zwischen den Elektroden angeordneten Holzes zu bestimmen: wobei ein Datenübertragungsabschnitt (22) zwischen dem Elektronikmodul und dem Datenverarbeitungsmittel vorgesehen ist.